高含水量軟土水泥土強(qiáng)度特性影響因素研究

盧 健

(福建省華榮建設(shè)集團(tuán)有限公司 福建福州 350001)

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高含水量軟土水泥土強(qiáng)度特性影響因素研究

盧 健

(福建省華榮建設(shè)集團(tuán)有限公司 福建福州 350001)

針對福州市沿海濱海高含水量軟土低強(qiáng)度和高壓縮性的問題，在室內(nèi)采用水泥進(jìn)行固化配方試驗。對兩種典型軟土，即淤泥和淤泥質(zhì)粘性土進(jìn)行固化處理，分析了固化時間、水泥摻量、固化方式和軟土本身含水量對強(qiáng)度的影響。通過試驗研究發(fā)現(xiàn)：①在固化齡期的前28d內(nèi)，水泥土強(qiáng)度增長明顯，速率較大。在28d～90d內(nèi)強(qiáng)度逐漸增大，但增速降低，后逐漸趨緩，水泥土強(qiáng)度與齡期之間近似呈對數(shù)關(guān)系。②水泥摻量越高，水泥土強(qiáng)度也越大，但在實際復(fù)合地基工程中，水泥摻量不宜過大。③粉噴制作的水泥土強(qiáng)度比漿噴制作的強(qiáng)度高出12%～36%，且隨著固化齡期的增長，提高的比例有所增大。④當(dāng)水泥摻量較低時，軟土本身含水量越高，制作的水泥土強(qiáng)度越低。

軟土;水泥土;強(qiáng)度

0 引言

我國東南沿海，包括浙江、福建、廣東和廣西等地濱海一帶分布有厚度大、面積廣的軟土，尤其是在海灣水流較緩的地區(qū)，這些軟土是在接近于靜水的環(huán)境中長期淤積形成的，其突出的特性是含水量高，如某些含水量高達(dá)80%。高含水量的軟土工程性質(zhì)較差，表現(xiàn)為低強(qiáng)度、高壓縮性和低滲透性等，給道路工程的修建帶來危害。為了短期內(nèi)提高地基承載力，減少地基沉降量，采用水泥攪拌樁加固軟土地基是一種常用的方法。對于水泥攪拌樁的實施效果，一般通過室內(nèi)試驗測試其加固后的強(qiáng)度，在此方面已有一些研究報道其研究成果[1-4]。但對于高含水量的軟土制作的水泥土強(qiáng)度特性，研究相對較少。其強(qiáng)度的影響因素較多，包括固化齡期、水泥摻量、固化方式、軟土含水量及有機(jī)質(zhì)含量等。因此，本文結(jié)合某道路軟土地基采用水泥攪拌樁處理前進(jìn)行的水泥土試驗測試結(jié)果，分析高含水量軟土水泥土的強(qiáng)度特性及其前4種影響因素，為同類工程提供技術(shù)參考。

1 工程概況

福州市某道路屬于城市快速路，設(shè)計車速為80km/h，雙向六車道。該道路途經(jīng)濱海軟土地區(qū)，軟基長度約為350m，路堤填土高度位于2.4m～3.2m之間。由于工期較緊，且對工后沉降要求嚴(yán)格，故經(jīng)多方論證采用水泥攪拌樁復(fù)合地基。根據(jù)巖土工程勘察報告，該路基地層主要為：①粉質(zhì)粘土，黃褐色～灰褐色，潮濕，可塑，局部夾有碎石，厚度為0m～2.4m不等；②淤泥和淤泥質(zhì)粘性土，灰褐色～灰黑色，可塑～流塑，含水量高，局部夾有砂土透鏡體，厚度為3.7m～8.9m不等；③粉質(zhì)粘土，灰褐色，可塑～硬塑，含有少量細(xì)砂，厚度為2.4～3.5m不等；④強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，深度未揭露。地下水位深度位于1.2m～3.6m之間。對該道路路基影響最大的地層是淤泥和淤泥質(zhì)粘性土，通過室內(nèi)土工試驗測試，其主要物理力學(xué)性質(zhì)為：含水量位于43%～77%之間，天然重度位于15.4kN/m3～17.6kN/m3之間，壓縮模量位于1.12MPa～1.71MPa之間，有機(jī)質(zhì)含量為4.1%。

由于該道路地基承載力較低，根據(jù)工程經(jīng)驗該路基軟土的地基承載力僅為50kPa ～75kPa，不能滿足上部填土荷載的要求。該道路工期僅為2年，同時為了縮短工期，降低路基的工后沉降和總沉降，采用水泥攪拌樁進(jìn)行加固處理。水泥攪拌樁設(shè)計樁徑為0.5m，樁距為1.2m，樁長貫穿至整個軟土層底部。為了檢驗高含水量軟土采用水泥的加固效果，工程實施前事先在實驗室進(jìn)行了水泥土配方試驗，所用的加固材料為普通硅酸鹽425水泥。

2 水泥土試驗方案

試驗的目的在于測試高含水量軟土水泥加固的實施效果、確定水泥土的設(shè)計強(qiáng)度及水泥摻量等，根據(jù)此目的設(shè)計水泥土試驗方案如下。將現(xiàn)場取回的軟土(淤泥和淤泥質(zhì)粘性土)與水泥(普通硅酸鹽425水泥)充分混合攪拌制作標(biāo)準(zhǔn)試件，設(shè)計了四種水泥摻量，分別為8%、12%、15%和20%，其中水泥摻量為水泥質(zhì)量與被加固土體質(zhì)量的比值乘以100%。每種水泥摻量的試件分別養(yǎng)護(hù)7d、14d、28d、60d、90d時進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗。同時為了比較粉噴樁與漿噴樁兩種攪拌形式制作的水泥土強(qiáng)度，本試驗還進(jìn)行了粉噴和漿噴兩種形式的對比試驗，其中粉噴采用純水泥干粉與軟土進(jìn)行攪拌固化；漿噴采用水泥漿(水灰比為0.45)與軟土攪拌固化。待水泥與軟土充分?jǐn)嚢韬?，倒入試件模子中抹平養(yǎng)護(hù)。為了脫模方便，模子內(nèi)壁事先涂抹一層潤滑油。試件尺寸為7.07cm×7.07cm×7.07cm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊。試件與模子一同裝入塑料袋內(nèi)密封，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)(溫度保持在20±2℃)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)2～3d時進(jìn)行脫模，繼續(xù)放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。為了減少人為操作的誤差，每個條件的試件均制作3個，取測試結(jié)果的平均值作為其代表值。本試驗共進(jìn)行了240個試件的試驗?？箟簭?qiáng)度試驗采用萬能試驗機(jī)進(jìn)行測試，試驗方法嚴(yán)格按照《公路土工試驗規(guī)程》(JTJ051-93)中的有關(guān)規(guī)定內(nèi)容進(jìn)行。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 齡期對抗壓強(qiáng)度的影響

水泥土試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨固化齡期的關(guān)系如圖1所示。從圖中可見，試件強(qiáng)度在90d內(nèi)緩慢增長，前期大約28d內(nèi)增長速率較大，28d后有所趨緩。水泥土30d的強(qiáng)度約占90d時的66%～78%。水泥土強(qiáng)度的增長主要是因為隨著時間的持續(xù)，水泥與軟土的固體顆粒發(fā)生了一系列物理化學(xué)反應(yīng)，這些反應(yīng)包括水解反應(yīng)、水化反應(yīng)和團(tuán)聚化反應(yīng)等，并且逐漸反應(yīng)充分，強(qiáng)度得以提高。實際工程中，我國《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79-2015)推薦以水泥土90d齡期的強(qiáng)度作為復(fù)合地基水泥攪拌樁的設(shè)計強(qiáng)度，有的工程工期較緊，這時需要根據(jù)齡期對其強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測。本試驗中，從抗壓強(qiáng)度與固化齡期的關(guān)系曲線可以看出，兩者近似呈對數(shù)關(guān)系，可以表示為：

qu=aln(t)+b

(1)

式中，qu為水泥土的抗壓強(qiáng)度，單位為MPa；t為固化齡期，單位為d；a，b為試驗參數(shù)。根據(jù)圖1中的數(shù)據(jù)，參數(shù)a處于0.56～0.85之間，參數(shù)b處于-0.79～-0.53之間。

(a)淤泥制作的水泥土，含水量67.0%

(b)淤泥質(zhì)粘性土制作的水泥土，含水量55.0%圖1 水泥土抗壓強(qiáng)度與固化齡期的關(guān)系

3.2 水泥摻量對抗壓強(qiáng)度的影響

水泥土中的水泥摻量越大，其強(qiáng)度也越高，將試驗中固化齡期為28d、60d和90d時的測試結(jié)果匯總于圖2中。可見，水泥土抗壓強(qiáng)度與水泥摻量兩者近似呈直線關(guān)系，斜率位于0.07～0.10之間。隨著水泥土中水泥摻量的增加，水泥與軟土顆粒之間的物理化學(xué)反應(yīng)越強(qiáng)烈，生成的固化團(tuán)粒越多，其強(qiáng)度也越高，但在實際的水泥攪拌樁復(fù)合地基中，并不是水泥摻量越高越好。這是因為水泥攪拌樁是一種柔性樁，其剛度介于混凝土與軟土之間，在受到上部荷載時，其沉降變形要與軟土相協(xié)調(diào)，共同發(fā)揮作用，形成復(fù)合地基共同承擔(dān)荷載。相反，若水泥產(chǎn)量過大，則彈性模量增大，相應(yīng)沉降量較小，此時樁間的軟土不能夠發(fā)揮承擔(dān)上部荷載的作用，復(fù)合地基作用不明顯，反而因水泥用量增大而不夠經(jīng)濟(jì)。因此，根據(jù)工程經(jīng)驗，軟土地基中水泥摻量一般控制在20%以內(nèi)。

(a)淤泥制作的水泥土，含水量67.0%

(b)淤泥質(zhì)粘性土制作的水泥土，含水量55.0%圖2 水泥土抗壓強(qiáng)度與水泥摻量的關(guān)系

3.3 固化方式對水泥土抗壓強(qiáng)度的影響

水泥土的制作方式，即粉噴和漿噴制作的水泥土強(qiáng)度有所差異。為了檢驗兩種形式的試驗效果，將兩者在不同固化齡期、不同水泥摻量的抗壓強(qiáng)度比值匯總?cè)绫?所示?？梢?，粉噴制作的水泥土強(qiáng)度比漿噴制作的強(qiáng)度高出12%～36%，隨著固化齡期的增長，提高的比例有所增大。因此，對于高含水量的軟土，粉噴形式的水泥土強(qiáng)度比漿噴的更高。究其原因，主要是因為粉噴采用的干水泥粉，在與軟土固化時，吸收了其中的水分，使得整體含水量降低，強(qiáng)度得以提高。但在實際工程中，粉噴形式的攪拌樁可能存在水泥粉不夠均勻的問題，導(dǎo)致樁體局部強(qiáng)度過大，某些局部的強(qiáng)度又過小，干水泥粉的流動性要相對較差，特別是在低含水量的軟土中應(yīng)用時應(yīng)慎重。

表1 粉噴水泥土與漿噴水泥土抗壓強(qiáng)度的比值

3.4 軟土含水量對水泥土強(qiáng)度的影響

通過比較本試驗中的淤泥和淤泥質(zhì)粘性土制作的水泥土強(qiáng)度，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)水泥摻量較大時，位于15%和20%時，兩者強(qiáng)度相差不大。但當(dāng)水泥摻量較小時，如8%和12%時，兩者強(qiáng)度相差較大，表明軟土含水量對于水泥土強(qiáng)度也有一定影響。淤泥的含水量為67.0%，而淤泥質(zhì)粘性土的含水量為55.0%，前者比后者大12%。當(dāng)?shù)蛽搅克鄷r，前者強(qiáng)度比后者要小8%～21%。這是因為含水量較高、且水泥摻量較低時，水泥與軟土顆粒之間的物理化學(xué)并不充分，軟土里仍有一些顆粒尚未參加團(tuán)聚化作用，含水量的增大使得土體強(qiáng)度降低。

4 結(jié)論

本文針對高含水量的軟土進(jìn)行了水泥土配方試驗，研究了固化齡期、水泥摻量、制作形式、軟土本身含水量對水泥土強(qiáng)度的影響，主要得到了以下結(jié)論：

(1)在固化齡期的前28d內(nèi)，水泥土強(qiáng)度增長明顯，速率較大。在28d～90d內(nèi)強(qiáng)度逐漸增大，但增速降低，后逐漸趨緩，水泥土強(qiáng)度與齡期之間近似呈對數(shù)關(guān)系，可以根據(jù)該經(jīng)驗關(guān)系式對其強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測。

(2)水泥摻量越高，水泥土強(qiáng)度也越大，兩者近似呈線性關(guān)系，直線斜率在0.07～0.10之間，但在實際復(fù)合地基工程中，水泥摻量不宜過大。

(3)粉噴制作的水泥土強(qiáng)度比漿噴制作的強(qiáng)度高出12%～36%，且隨著固化齡期的增長，提高的比例有所增大，但粉噴水泥土可能存在不均勻的問題，特別是在低含水量的軟土中應(yīng)用時應(yīng)慎重。

(4)當(dāng)水泥摻量較低時，軟土本身含水量越高，制作的水泥土強(qiáng)度越低。

[1] 朱大宇.水泥土力學(xué)性能的試驗分析[J].建筑材料學(xué)報，2006，9(3)：291-296.

[2] 郝巨濤.水泥土材料力學(xué)特性的探討[J].巖土工程學(xué)報，1991，13(3)：53-59.

[3] 曾勝華，曾娟.低摻量水泥土強(qiáng)度特性試驗研究[J].路基工程，2010，151(4)：17-19.

[4] 楊愛武，杜東菊，趙瑞斌.水泥及其外加劑固化天津海積軟土的試驗研究[J].巖土力學(xué)，2007，28(9)：1823-1827.

high water content soft soil research to the influential factors of cement-soil strength characteristics

LUJian

(Fujian Huarong Construction Group Co., Ltd,Fuzhou 350001)

For the problem of low strength and high compressibility of soft soil with high water content in Fuzhou coastal area, cement was used to solidify the soft soil indoor. Two typical soft soil, mud and muddy cohesive soil are solidified. The curing time, cement content, curing method and water content on the strength of cement soil were analyzed. The experimental results show that during the first 28 days of curing age, the strength of cement soil increases obviously and the rate is large. The strength increases gradually in 28 days to 90 days, but the rate decreases gradually, and finally keep stable. The relationship between cement soil strength and age is logarithmic. The higher the cement content, the greater the strength of cement soil, but in the actual composite foundation projects, the cement content should not be too large. The strength of cement soil produced by powder spray is 12%～36% higher than that of pulp spray, and the proportion of is increased with the increase of curing age. When the cement content is low, the strength of cement soil decreases with the increase of water content.

Soft soil; Cement soil; Strength

盧建(1983.1- )，男，高級工程師。

E-mail:2739852643@qq.com

2017-03-20

TU4

A

1004-6135(2017)08-0073-03